ジルコニアセラミックは、優れた性能を備えた構造用セラミックであるだけでなく、特殊な機能性セラミック材料でもあります。 たとえば、ジルコニアには独特の電気的特性があります。 簡単に言えば、ジルコニアは低温絶縁性と高温伝導性の特性を持っています。 1つの特徴により、酸化ジルコニウムはセンサー、全固体電池、無機発熱体などの重要な用途になります。
●ZrO2の電気的性質
純粋なZrO2であろうとドープされたZrO2であろうと、それらは室温で絶縁体であり、抵抗率は1010Ω・cmを超えますが、高温伝導性は良好で、抵抗の温度係数が負であり、抵抗率は1000°で104Ω・cmです。 C、1700°Cわずか6〜7Ω・cmの場合。
第一原理計算によると、ZrO2の電子構造では、価電子帯と伝導帯の電子軌道エネルギー準位は、結晶構造によって電子軌道の数が異なります。 ZrO2の価電子帯はフルバンドであり、伝導帯も一定量の電子で満たされています。 ZrO2の室温絶縁性能は、主に価電子帯と伝導帯の間の帯域幅が広すぎるためであり、室温で電気を伝導することは不可能です。 。 ドーピング後、新しいエネルギーレベル（ドナーエネルギーレベルまたはアクセプターエネルギーレベル）が禁止バンドに形成されるため、禁止バンド幅は減少しますが、主に室温でのZrO2のため、室温では導電性がありません。温度電子移動度が低すぎます。 したがって、高純度のZrO2であろうとドープされたZrO2であろうと、どちらも室温で高い絶縁特性を示します。
ZrO2の主な導電メカニズムは、酸素空孔の方向性のある移動に由来し、導電率は温度と酸素分圧差の増加とともに増加します。 温度が約800℃を超える環境では、ZrO2の導電率が大幅に向上し、Zr02の導電率は温度に比例して変化します。つまり、温度が高いほど、ZrO2の導電率は強くなります。
●導電率は無限に向上しますか？
しない！ ドイツの学者GuoXは、レビューでZrO2の導電特性が電子導電特性とは異なることを指摘しました。 イオン伝導性ZrO2材料は、最適な空孔よりも高い適切な空孔濃度の条件下で最大のイオン伝導性を達成できます。 濃度に基づいて空孔を追加すると、イオン伝導度が低下します。 したがって、高温でのZrO2の導電率を無期限に増加させることはできません。 たとえば、ナノ構造のZrO2のイオン伝導度の低下は、主に内部界面の過度の影響によって引き起こされ、イオンの移動が減少します。 安定化されたZrO2の空間電荷層は約2.5nmであるため、ナノ粒子のサイズが5 nm未満の場合にのみ、量子サイズ効果によって引き起こされる直接的な電子移動が発生します。 明らかに、この状況を大規模に達成することは困難です。
